Что быстрее замерзает горячая или холодная вода: Почему горячая вода замерзает быстрее

Содержание

Почему горячая вода замерзает быстрее

Время чтения статьи: 7 мин.

Дата публикации: 06.12.2019
Дата обновления: 29.12.2021

Кузьминчук Анна

аспирант кафедры ТНВ,В и ОХТ НТУУ «КПИ»

Краткое содержание

Эксперимент в домашних условиях

Парадокс Мпембы

Основные теории

Если поместить горячую воду в морозильную камеру, можно наблюдать эффект ее ускоренного замерзания. Это явление ранее упоминалось Аристотелем, Френсисом Беконом и Рене Декартом.

Из двух емкостей с холодной и горячей водой в морозильной камере, быстрее замерзнет горячая вода. Подтверждением этому факту является, например, то, что на сильном морозе открытые трубы с горячей водой замерзают быстрее, чем холодные. Разберемся с вопросом, почему кипяток замерзает быстрее и что говорят на этот счет ученые.

Эксперимент в домашних условиях

Для того, чтобы проверить какая вода замерзает быстрее, вы можете провести дома элементарный эксперимент.

  1. Возьмите литр воды и две отдельные формочки для льда.
  2. Примерно половину воды вылейте в чайник и вскипятите.
  3. Залейте холодную и нагретую воду в формочки и поставьте их в морозильную камеру.
  4. Подождите час и вы увидите, что горячая вода замерзает быстрее.

Парадокс Мпембы

В 1963 году африканский школьник заметил, что горячая смесь мороженного в морозильной камере застывает быстрее, чем холодная. Он не получил ответа на этот вопрос от школьного учителя физики, но смог задать его профессору физики Деннису Осборну. Эксперимент проведенный с водой доказал наличие эффекта. В данном случае две пробы воды объемом 70 мл с температурой 25 и 90 оС помещались в одинаковых стаканчиках в морозильную камеру бытового холодильника на пенопластовых листах.

Далее Осборн и Мпемба провели ряд экспериментов, результаты которых были опубликованы в 1969 году журнале Physics Education.

Главные тезисы статьи приведем ниже.

Поскольку охлаждение начинается преимущественно с верхней поверхности жидкости, то скорость охлаждения зависит от температуры именно этой поверхности, а не от средней температуры жидкости, а процессы конвекции поддерживают эту температуру. За счет этого скорость потери тепла для системы с более высокой изначальной температурой тоже будет выше, чем для изначально более охлажденной системы. Это утверждение является спорным, поскольку перед замерзанием вода должна пройти промежуточные температуры, но с учетом влияния температурного градиента, авторы допускали, что можно упустить это утверждение. После этого явление стало активно обсуждаться исследователями и обрело название “эффект Мпембы”.

На рисунке изображена зависимость скорости замерзания от исходной температуры воды.


Объяснения эффекта Мпембы

Ответ на вопрос о том, почему горячая вода быстрее замерзает, люди искали полстолетия. Было опубликовано сотни научных работ по этому поводу, но только через 54 года был получен окончательный ответ.

В 2013 году Королевское химическое сообщество Великобритании пообещало выдать премию в 1000 фунтов тому, кто объяснит эффект Мпембы. Лучшим ответом было эссе Никола Бреговича из Университета Загреба в Хорватии. Он просуммировал основные исследуемые ранее теории и описал их.

В 2016 году группа ученых опубликовала материалы исследований, которые отрицали наличие данного парадокса. Обьяснение самого эффекта основывалось на погрешности исследований.

Казалось бы научный мир должен успокоиться, но не тут то было, и в 2017 году совместное исследование группы ученых из Китая и США объясняет явление водородными связями в кластерной структуре воды.

Основные теории

Испарение воды

Часть ученых объясняли, что нагретая вода быстрее испаряется и, соответственно, либо замерзает в воздухе и образует ледяную корку, либо просто удаляется из системы. Стоит отметить, что во всех экспериментах, где взвешивалась масса воды до и после заморозки, максимальная потеря массы достигала не более 3%. Такое несущественное изменение массы, очевидно, не может вызвать значительное ускорение замораживания. Еще одна сложность данного эксперимента лежала в том, что доказать данный момент практически невозможно, поскольку при герметизации емкости с замораживаемой водой изменится не только испарение, а и движение тепловых потоков.

Растворенные газы

Растворимость газов в воде падает с повышением ее температуры. Исходя из этого часть исследователей допускали, что быстрое замерзание воды связано с этим фактом. Проведенные Томасом исследования показали, что разница в температурах замерзания слабо отклоняется от ноля, а Ауэрбах доказал, что концентрация газов в воде не влияет на переохлаждение воды.

Конвекция, усиленная градиентом тепла

Давайте разберемся с тем, что такое конвекция и градиент тепла. Когда емкость с водой помещается в морозильную камеру, то жидкость на поверхности и возле стенок емкости быстрее контактирует с холодной окружающей средой и охлаждается. В это же время внутри образца температура сохраняется, вследствие чего внутри емкости появляется разность температур или температурный градиент. Он вызывает перенос тепла, причем чем сильнее градиент, тем лучше конвекция. Соответственно, чем выше эта разность температур, тем активнее будет происходить теплообмен, а собственно и охлаждение.

Водородные связи

В 2017 году был получен окончательный ответ на вопрос о том, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная — причиной являются свойства водородных связей. Ключевой аргумент исследователей заключается в том, что количество сильных водородных связей увеличивается с повышением температуры, а существование небольших крепко связанных кластеров, в свою очередь, способствует образованию правильного гексагонального льда при быстром охлаждении теплой воды. Помимо этого, был доказан обратный эффект быстрого нагревания переохлажденной воды.

Как и почему формируется лед, и как располагаются молекулы воды в его структуре, мы уже писали ранее.

Кстати, исследования продолжаются :)

Источники

  1. Mpemba, E. B., & Osborne, D. G. (1969). Cool? Physics Education, 4(3), 172–175.
  2. Nikola Bregović (2012) Mpemba effect from a viewpoint of an experimental physical chemist.
  3. Tao, Y., Zou, W., Jia, J., Li, W., & Cremer, D. (2016). Different Ways of Hydrogen Bonding in Water — Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water? Journal of Chemical Theory and Computation, 13(1), 55–76.

Как горячая вода может замерзнуть быстрее холодной

Иногда горячая вода может замерзнуть быстрее холодной. Новый эксперимент, проведенный с использованием крошечных стеклянных бусин, может помочь объяснить почему, — пишет sciencenews.org со ссылкой на Nature.

Новое исследование показало, что горячий предмет может остывать быстрее, чем холодный. При охлаждении более теплая система достигла низкой температуры за меньшее время, чем более холодная система.

Эксперимент был вдохновлен сообщениями об эффекте Мпемба — парадоксальном наблюдении, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная. Но эксперименты, изучающие это явление, были запутаны из-за сложности устройства воды и процесса замерзания, что затрудняло воспроизведение результатов и заставляло ученых не соглашаться по поводу того, что именно вызывает эффект, как его определить и действительно ли он существует.

Чтобы обойти эти сложности, Авинаш Кумар и Джон Бечхофер из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби (Канада) использовали крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра вместо воды.

«Это первый случай, когда эксперимент может быть заявлен как чистый, идеально контролируемый эксперимент, который демонстрирует этот эффект», — говорит химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.

В эксперименте шарик представлял собой эквивалент одной молекулы воды, и измерения были выполнены 1000 раз при заданном наборе условий для получения набора «молекул». Лазер воздействовал на каждую бусину, создавая энергетический ландшафт или потенциал. Тем временем шарик охлаждали на водяной бане. Эффективная «температура» бусинок из объединенных испытаний может быть получена из того, как они пересекают энергетический ландшафт, перемещаясь в ответ на силы, передаваемые лазером.

Чтобы изучить, как система охлаждалась, исследователи отслеживали изменения температуры бусинок во времени. Изначально они были высокой или умеренной температуры, и исследователи измеряли, сколько времени нужно, чтобы шарики остыли до температуры воды. При определенных условиях шарики, которые вначале были более горячими, охлаждались быстрее, а иногда и экспоненциально быстрее, чем более холодные шарики. В одном случае более горячие шарики охлаждались примерно за две миллисекунды, в то время как более холодные шарики охлаждались в 10 раз дольше.

Может показаться разумным предположить, что более низкая начальная температура обеспечит непреодолимую фору. В простой гонке по термометру горячий объект должен сначала достичь исходной температуры теплого объекта – кажется, что более высокая температура может только увеличить время охлаждения.

Но в некоторых случаях эта простая логика неверна, особенно для систем, которые не находятся в состоянии теплового равновесия (когда все части достигли одинаковой температуры). Для такой системы «ее поведение больше не определяется только температурой», — говорит Беххофер. Поведение материала слишком сложно, чтобы его можно было описать одним числом. По мере охлаждения шарики не находились в тепловом равновесии, а это означало, что их положения в ландшафте потенциальной энергии не были распределены таким образом, чтобы их можно было описать с помощью одной температуры.

Для таких систем, вместо прямого пути от горячего к холодному, может быть несколько путей к холодности, что позволяет сократить возможные пути. Для бусинок, в зависимости от формы ландшафта, начало с более высокой температуры означало, что им было легче перестроиться в конфигурацию, соответствующую более низкой температуре. Это похоже на то, как турист может быстрее добраться до места назначения, начав дальше, если отправная точка позволяет ему избежать трудного подъема на гору.

Лу и физик Орен Раз ранее предсказывали, что такие короткие пути охлаждения возможны. «Приятно видеть, что это действительно работает, — говорит Раз из Института науки Вейцмана в Реховоте (Израиль). Но, отмечает он, «мы не знаем, сработает ли это в воде или нет».

Сложности с водой могут быть связаны с наличием примесей, испарением и возможностью переохлаждения, когда вода остается жидкой при температуре ниже нормальной температуры замерзания.

Простота исследования — часть его красоты, — заметила физик-теоретик Мария Вучелья из Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле. «Это одна из очень простых схем, и она уже достаточно богата, чтобы продемонстрировать этот эффект». Это говорит о том, что эффект Мпембы может выходить за рамки стеклянных бусин или воды. «Я могу предположить, что этот эффект в природе проявляется довольно часто в других местах, просто мы не обращали на него внимания».

[Фото: sciencenews.org]

Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная?

А знали ли вы, что горячая вода быстрее замерзнет в морозилке? Если нет, то мы сейчас объясним почему так происходит.

Для подтверждения этого феномена, можно для примера рассмотреть трубы с горячей и холодной водой. На сильном морозе трубы с кипятком – замерзнут быстрее. Такое явление вы можете наблюдать каждую зиму.

А как насчет эксперимента дома?

Что бы провести эксперимент дома, вам не обязательно ждать зимы и морозов. 

Достаточно лишь вскипятить воду, залить ее в форму для льда и поставить в морозильную камеру. То же самое проделать и с холодной водой. Достаточно подождать всего час, открыть морозилку и убедиться, что кипяток замерз действительно быстрее, чем холодная вода.

Кто первооткрыватель? Парадокс Мпембы.

В далеком 1963 году, обычный школьник из Африки заметил, что, если подогреть мороженое и поставить в холодильник – замерзнет оно быстрее чем просто подтаявшее. С этим он обратился к своему школьному учителю, но ответа так и не получил. Зато профессор физики Деннис Осборн с радостью помог мальчику разобраться в этом феномене. На протяжении 6 лет школьник и профессор проводили эксперименты, и в 1969 году, их результаты опубликовали в журнале Physics Education.

Основные тезисы статьи.

Скорость охлаждения температуры зависит от температуры вверху поверхности. Поэтому скорость потери тепла элемента, у которого начальная температура была высокой, будет гораздо выше, чем у элемента с более прохладной температурой. Однако такое утверждение очень спорное, потому что перед тем, как замерзнуть, вода обязательно проходит промежуточные температуры, если брать во внимание что присутствует влияние температурного градиента, Осборн допускал что это утверждение можно упустить.  После публикации в журнале, исследование стали называть «эффект Мпембы» другие исследователи начали работу над экспериментом, чтобы в конце концов разобраться, почему горячая вода замерзает быстрее.

Скорость замерзания от исходной температуры воды. Рисунок.


Объяснение.

Представляете, пол столетия искали ответ на вопрос «Почему горячая вода застывает быстрее, чем холодная»? Да-да, именно 54 года проводились разные исследования. Даже королевское сообщество обещало премию в размере 1000 фунтов тому, кто докажет эффект Мпембы. Победил Никола Брегович, который учился в хорватском университете в 2013г, он просуммировал все описанные теории и каждую описал отдельно. Но все же совсем немного приблизился к правде.

В 2017г ученые США и Китая все же объяснило этот феномен водородными связями в кластерной структуре воды.

Рассмотрим основные теории, которые были выдвинуты.

Кто-то дума что вода испарялась.

Не которые ученые объяснили, что вода с высокой температурой испаряется намного быстрее, и как следствие замерзая в воздухе образует корку из льда. Во всех экспериментах массу воды обязательно взвешивали, но потеря веча была незначительна – 3%. То есть такое уменьшение массы воды не могло вызвать быстрое замораживание. 

А кто-то выдвинул теорию испарения газа.

Поскольку растворимость газа снижается с повышением температуры воды, многие ученые считали, что именно с этим связано быстрое замерзание теплой воды. Но Томас в своих экспериментах показал, что разница между температурой замерзания очень слабо отклоняется от 0. Ученый Ауэрбах вовсе доказал, что концентрация газов в воде – никак не влияет на переохлаждение воды.

Ну и наконец – водородные связи.

И наконец в 2017 году ученые сошлись во мнениях, и получили один ответ на вопрос, — Почему горячая вода замерзает быстрее? Все дело в водородных связях, они увеличиваются с повышением температур воды, и наличием крепко связанных кластеров. Все это образовывает гексагональный лед при резком охлаждении воды.

Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Если в морозную погоду плеснуть из емкости холодную воду, она просто брызгами упадет на землю. Кипящая вода же превратится в снежный пар. Этот факт известен со времен Аристотеля, но объяснения феномену до последнего момента не было.

В 1960-х годах танзанийский школьник Эрасто Мпемба заморозил кипящее молоко, чтобы приготовить мороженое быстрее своих друзей. В честь него и был назван этот эффект более быстрого замерзания горячей воды.

Королевское химическое общество Великобритании даже провело в 2012 году соревнование, чтобы посмотреть, смогут ли ученые разгадать тайну эффекта Мпембы. Более 22 тыс. заявок было подано на конкурс, но объяснения явлению так и не поступило.

Позднее было опубликовано исследование в журнале «Химическая теория и вычисления», которое объясняло феномен на молекулярном уровне. Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. И в холодной воде наблюдаются не только ковалентные связи, но и менее сильные водородные связи между атомами водорода и кислорода соседних молекул воды. Они более слабые, но их достаточно много. Ученые предполагают, что водородные связи — это и есть ключ к разгадке эффекта Мпембы.

В то же время горячая вода в основном состоит только из сильных ковалентных связей, так как слабые связи распадаются в процессе нагревания.

Ковалентные связи и водородные связи в молекуле воды

Распавшиеся молекулы образуют «шестиугольную решетку твердого льда», и это ключ к разгадке эффекта Мпембы. В холодной воде водородные связи должны распасться, чтобы начался процесс заморозки. Но если связи уже распались в горячей воде, лед образуется быстрее, так как структуры, необходимые для этого, уже существуют.

Впрочем, ряд ученых полагает, что данный эффект «работает» далеко не всегда: на то, какая вода замерзнет быстрее, в значительной степени влияет среда, то есть условия проведения эксперимента.

А вот небольшое видео, демонстрирующее эффект Мпембы в Челябинске, когда вода замерзает на лету https://youtu.be/Q0yQd_ubzlk

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной | С другого угла

Холодная погода характерна для большей части нашей страны. Кроме катания на лыжах в это время можно проводить некоторые эксперименты с водой. Например, бросать в воздух горячую воду, делая тем самым снег. Этот эффектный трюк основан на интересном факте, известном ещё со времён Аристотеля.

Описывается он просто — горячая вода замерзает быстрее холодной. Данное свойство получило название эффекта Мпембы. Танзанийский школьник обнаружил это явление в 1963 году. Так почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?

Эксперименты с мороженым

Эрасто Мпемба и другие дети в его школе часто делали мороженое, используя школьную морозильную камеру. Процесс был таков: они кипятили молоко и смешивали его с сахаром. После чего эту смесь помещали в морозилку. И однажды Мпемба поспешил и положил получившуюся субстанцию охлаждаться в разгоряченном состоянии.

Получилось так, что его мороженое получилось быстрее, чем у одноклассника. Но школьнику мало кто поверил, и в 1969 году Мпемба вместе с профессором физики опубликовали статью по этому поводу. Данный эффект наблюдается не всегда, поэтому если вы попытаетесь повторить его дома, далеко не факт, что это произойдёт. Вероятно, на это есть несколько причин.

Версии объяснения данного эффекта

Обнаружение эффекта Мпембы не позволило с абсолютной точностью объяснить данное явление. Полностью понять этот процесс пока не получилось, но научных споров ведётся много. И существует несколько версий объяснения эффекта Мпембы.

Наиболее часто выдвигаемая гипотеза — горячая вода испаряется из-за потери массы. В результате жидкость замерзает, теряя меньше тепла. Однако были случаи, когда эффект Мпембы наблюдался и в закрытых контейнерах, где испарения не было.

Другое предположение состоит в том, что вода развивает конвекционные потоки и температурные градиенты по мере ее охлаждения. Быстро остывающий стакан с горячей водой будет иметь большие перепады температур и быстрее отводить тепло от поверхности. В то время как равномерно охлаждённый стакан воды имеет меньшую разницу температур. Также получается меньше конвекции, ускоряющей процесс.

Существуют также и другие теории. Например, согласно одной из них все дело во влиянии растворенных газов в воде на процесс замораживания. В 2013 году группа исследователей из Сингапура предложила свою версию объяснения эффекта Мпембы. По их словам, разгадка кроется в уникальных свойствах химических связей в воде.

Как известно, стандартная молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода. Они соединены ковалентными связями. Но когда происходит соединение нескольких молекул, атомы водорода также образуют связи с атомами кислорода в других молекулах. Эти водородные связи придают воде некоторые ее свойства, такие как относительно высокая температура кипения и уменьшенная плотность при заморозке.

Исследователи считают, что во время кипения воды молекулы растекаются, удлиняя водородные связи. Но из-за ограниченного объема ковалентные связи в отдельных молекулах сжимаются, накапливая энергию. Если вода замерзает в таком состоянии, связи высвобождают энергию в виде «размотанной пружины», охлаждаясь гораздо быстрее.

Но не все эксперты согласны с такой трактовкой эффекта Мпембы. Кто-то обвиняет экспертов в том, что их теория могла бы предсказать новое свойство воды. Однако его нет в привычном понимании. Химик Ричард Заре из Стэнфордского университета вовсе считает, что быстрое замерзание горячей воды преимущественно зависит от испарения.

Скорее всего, именно из-за этого и происходит эффект Мпембы. Возможно, в будущем ученым удастся полностью доказать это или привнести какие-то поправки к объяснению.

Физики открыли усиленную версию эффекта Мпембы с помощью марковской динамики

Группа физиков из Израиля и США открыла усиленную версию эффекта Мпембы, благодаря которому горячая вода замерзает быстрее холодной. Для этого ученые смоделировали остывание системы в рамках марковской динамики и нашли особенные точки, в которых остывание горячей системы значительно ускоряется. Кроме того, ученые подтвердили общие соображения на примере модели антиферромагнетика и показали, что используемый метод продолжает работать в термодинамическом пределе. Статья опубликована в Physical Review X.

В 1963 году Эрасто Мпембма, 13-летний школьник из Магабмы (нынешняя Танзания), заметил, что формочки с горячим мороженым в школьном морозильнике застывают быстрее, чем с холодным. Об этом странном эффекте он сообщил профессору Деннису Осборну, которого пригласили в школу прочитать лекцию по физике. Сначала профессор не поверил школьнику, однако поставил эксперимент с замерзающей водой и убедился в существовании эффекта. После этого Мпемба и Осборн опубликовали в журнале Physical Eduction статью с результатами эксперимента, а за описанным эффектом закрепилось название «эффект Мпембы».

К сожалению, из-за сложности эффекта Мпембы физики до сих пор не понимают, за счет чего он возникает. Различные исследовательские группы списывали этот эффект на испарение, переохлаждение, конвекцию, растворенные в жидкости примеси и даже на водородные связи между молекулами воды. Более того, некоторые ученые считают, что эффект Мпембы недостаточно строго сформулирован, чтобы можно было заявлять о его существовании. В частности, в стандартной формулировке этого эффекта не обговаривается, что именно нужно считать моментом замерзания — например, можно ли пренебрегать небольшими объемами пара, образовавшегося в ходе замерзания.

В то же время эффект Мпембы можно рассматривать как типичный пример неравновесного процесса — процесса, в ходе которого термодинамическая система выходит из равновесия. В самом деле, когда мы ставим в холодильник горячую воду, мы резко меняем внешние условия, а потому термодинамическое равновесие в системе не успевает установиться. Поэтому горячая вода может «срезать путь» через область параметров, которая недоступна для квазистатически охлаждающейся холодной воды. В этом контексте эффект Мпембы не ограничивается водой: в принципе, аномальное «срезание пути» также наблюдается в магнитных сплавах, сыпучих газах, полимерах и многих других системах.

Первую теоретическую модель, которая описывает «срезание пути» через область неравновесной эволюции, разработали около двух лет назад американские физики Чжиюэ Лу (Zhiyue Lu) и Орен Раз (Oren Raz). В основе предложенной модели лежала динамика марковских частиц, которая ухватывает эффекты в однородных системах, отклоняющихся от термодинамического равновесия. Грубо говоря, этот подход сопоставляет траекториям частиц некоторые распределения с заданной температурой, а затем следит за «перескакиванием» системы между распределениями. Тем не менее, в модели Лу и Раза возникало несколько важных вопросов, которые исследователи тогда решить не смогли. Во-первых, было не понятно, требуется ли для эффекта Мпембы «тонкая настройка» системы, то есть существование сингулярных точек в пространстве ее параметров. Во-вторых, в оригинальной статье ученые рассматривали не термодинамическую систему, а упрощенный случай системы нескольких тел. Следовательно, необходимо проверить, не ломается ли этот подход в термодинамическом пределе — например, на реальном примере с замерзающей водой.

Группа физиков под руководством Марии Вучеля (Marija Vucelja) развила подход Лу и Раза и подтвердила, что разработанная модель работает для простых термодинамических систем. Более того, ученые обнаружили так называемый сильный эффект Мпембы — значительное усиление эффекта Мпембы около дискретного набора начальных температур горячей системы.

Чтобы понять, почему возникает сильный эффект Мпембы, нужно вспомнить, как марковская динамика описывает эволюцию системы. В этом подходе каждому состоянию (например, состоянию с заданной полной энергией) сопоставляется некоторая вероятность, которая может меняться со временем. Скорость «перескакивания» системы между различными состояниями определяется набором собственных значений, которые можно вытащить из уравнения эволюции. Максимальное из этих собственных значений равно нулю — это отвечает стационарной ситуации, то есть равновесному распределению Больцмана. Следующее по величине собственное значение описывает скорость, с которой система приближается к равновесному распределению. На достаточно больших временах достаточно удерживать только этот вклад, поскольку остальные вклады затухают еще быстрее. Таким образом, распределение вероятностей системы через время t после начала эволюции можно приближенно описать следующей формулой: p(T, t) ≈ π(Tх) + a(T) e−λt pλ(T). Здесь T — температура системы, Tх — температура холодильника, π(T) — распределение Больцмана, pλ(T) — отклонение от равновесного состояния, λ — скорость его затухания, а a(T) — некоторый коэффициент, который зависит от температуры. Очевидно, что a(Tх) = 0, поскольку в изначально равновесной системе никакой динамики нет.

Глядя на эту формулу, легко догадаться, что качественная динамика закодирована в коэффициенте a(T). В самом деле, если a(T) — монотонная функция, то возмущение с более высокой температурой упадет до определенного фиксированного уровня за больший промежуток времени, чем возмущение с более низкой температурой. Если же это не так, и для горячей системы коэффициент больше, чем для холодной, то мы будем наблюдать противоположную ситуацию — эффект Мпембы. Более того, если при температуре горячей системы коэффициент a(T) ≈ 0, то эффект Мпембы будет практически неограниченно усиливаться. Аналогичным образом можно добиться обратного эффекта Мпембы и обратного сильного эффекта Мпембы, при котором сильно переохлажденная система нагревается быстрее, чем менее холодная.

Интересно, что возникновение сильного эффекта Мпембы можно связать с топологическими свойствами системы. Чтобы проиллюстрировать это утверждение, рассмотрим систему с тремя возможными состояниями {p1, p2, p3}. В каждый момент времени эти вероятности положительны, а их сумма равна единице: p1 + p2 + p3 = 1, поэтому множество допустимых точек представляет собой двумерный треугольник, вложенный в трехмерное пространство. В то же время, множество распределений Больцмана при всех возможных температурах формирует в этом пространстве непрерывную кривую. Начальная точка кривой лежит в центре треугольника (при бесконечной температуре вероятности всех состояний равны), а конечная — на одной из осей (при нулевой температуре система сваливается в основное состояние). Наконец, условие a(T) = 0 задает некоторую плоскость, которая пересекает треугольник допустимых вероятностей. При этом положение начальной и конечной точки кривой Больцмана по отношению к плоскости a(T) = 0 определяет, возникает ли сильный эффект Мпембы. Если обе точки лежат по одну сторону от плоскости, то эффект гарантированно возникает: кривая пересекает плоскость в четном числе точек, одна из которых отвечает температуре холодильника (a(Tх) = 0 по определению), а остальные — требуемой температуре горячей системы.

Треугольник допустимых параметров отмечен синим цветом, плоскость a(T) = 0 — зеленым, кривая Больцмана — красным

Israel Klich et al. / Physical Review X, 2019

Поэтому физики заключают, что сильный эффект Мпембы можно вывести из топологических соображений. Более того, из этих же соображений ученые доказывают, что индекс Мпембы — число точек, в которых индекс a(T) = 0, не меняется при небольших отклонениях параметров рассматриваемой системы (например, сдвиге энергетических уровней).

Эти качественные соображения ученые проверили на конкретной системе — модели антиферромагнетика, в которой спины живут на двух параллельных решетках и взаимодействуют только со спинами соседней решетки. С помощью численных расчетов физики подтвердили, что в системе возникает сильный эффект Мпембы, и построили для нее фазовую диаграмму. Более того, исследователи подтвердили, что динамика системы сохраняется в термодинамическом пределе, когда число спинов стремится к бесконечности.

Фазовая диаграмма антиферромагнетика с числом спинов N = 400. В белой области эффекта нет, в синей и зеленой — эффект слабый (прямой или обратный), в остальных областях — сильный (прямой или обратный, к которому может добавиться слабый противоположный эффект)

Israel Klich et al. / Physical Review X, 2019

Авторы статьи отмечают, что их работа пригодится не только для объяснения эффекта Мпембе, но и для ускорения численных расчетов. Дело в том, что алгоритмы Монте-Карло по схеме марковской цепи широко используются для моделирования процессов из самых разных областей. Например, с помощью таких алгоритмов можно рассмотреть конвективные ячейки на поверхности стареющей звезды, смоделировать эволюцию нейтронных звезд или галактик. Чтобы получить в рамках этого метода точный результат, нужно смоделировать много гипотетических конфигураций, поэтому ученые стараются как можно сильнее ускорить сходимость алгоритма. Открытие сильного эффекта Мпембе теоретически может повысить эту скорость.

Когда термодинамическая система выходит из равновесия, большая часть теоретических приближений перестает работать, и предсказать дальнейшую эволюцию системы становится очень сложно — особенно для настоящих систем, которые встречаются в реальной жизни. Поэтому физики разрабатывают новые методы, которые специально заточены под моделирование неравновесных процессов. Например, в октябре 2018 года американские физики придумали гибридный алгоритм, который совмещает работу классического и квантового компьютера и позволяет численно моделировать неравновесные процессы в квантовых системах. В декабре исследователи из Кембриджа и Сколтеха предложили моделировать систему спинов с помощью неравновесного конденсата когерентных центров, на который наложено резонансное воздействие. В качестве примера ученые рассмотрели модели Изинга или Поттса. А в апреле этого года группа физиков под руководством Михаила Лукина с помощью 51-кубитного квантового компьютера смоделировала квантовый фазовый переход в сильно коррелированной системе.

Дмитрий Трунин

Почему кипяток на морозе замерзает быстрее. Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Эффект Мпембы. Вопрос возникал давно

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое — вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом — 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы .

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:

Испарение

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.

Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.

Разница температур

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше — следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Переохлаждение

Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.

Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.

Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.

Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.

Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.

Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Конвекция

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.

Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.

В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.

Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.

Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Теплопроводность

Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено.

Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.

Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.

Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

О. В. Мосин

Литературные источники :

«Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?», Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

«The Freezing of Hot and Cold Water», G .S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.

«Supercooling and the Mpemba effect», David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

«The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water», Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

На то, какая вода быстрее замерзает, горячая или холодная, влияет множество факторов, но сам по себе вопрос кажется немного странным. Подразумевается, и это известно из физики, что горячей воде еще нужно время для того, чтобы остыть до температуры сравниваемой холодной воды, чтобы превратиться в лед. этот этап можно пропустить, а, соответственно, по времени она выигрывает.

Но ответ на вопрос о том, какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая — на улице в мороз, знает любой житель северных широт. По сути, по-научному, выходит, что в любом случае холодная вода просто обязана замерзнуть быстрее.

Так же подумал и учитель физики, к которому обратился школьник Эрасто Мпемба в 1963 году с просьбой объяснить, почему холодная смесь будущего мороженого замерзает дольше, чем аналогичная, но горячая.

«Это не всемирная физика, а какая-то физика Мпембы»

В тот раз учитель только посмеялся над этим, но Денисс Осборн, профессор физики, который в свое время заехал в ту же школу, где учился Эрасто, экспериментально подтвердил наличие такого эффекта, хотя и объяснения тогда этому не нашлось. В 1969 году в популярном научном журнале вышла совместная статья этих двух людей, которые описали этот своеобразный эффект.

С тех пор, кстати, вопрос о том, какая вода быстрее замерзает — горячая или холодная, имеет собственное название — эффект, или же парадокс, Мпембы.

Вопрос возникал давно

Естественно, что и раньше такой феномен имел место быть, и он был упомянут в работах других ученых. Не только школьник интересовался этим вопросом, но и свое время об этом думал Рене Декарт и даже Аристотель.

Вот только подходы к решению данного парадокса приступили искать только в конце двадцатого века.

Условия для того, чтобы произошел парадокс

Как и в случае с мороженым, не просто обычная вода замерзает в процессе эксперимента. Должны присутствовать определённые условия для того, чтобы начать спорить, какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая. Что влияет на протекание данного процесса?

Сейчас, в 21 веке, выдвинуто несколько вариантов, которые могут объяснить даный парадокс. То, какая вода замерзает быстрее, горячая или холодная, может зависеть от того, что у имеется большая, чем у холодой, скорость испарения. Таким образом, уменьшается ее объем, а при уменьшении объема и время замерзания становится меньше, нежели если взять аналогичный изначальный объем холодной воды.

Давно размораживали морозилку

На то, какая вода замерзает быстрее, и почему это происходит, может повлиять снеговая подкладка, которая может иметь место в морозилке холодильника, используемого для эксперимента. Если взять два контейнера, идентичных по объему, но в одном из них будет горячая вода, а в другом — холодная, контейнер с горячей водой расплавит под собой снег, тем самым улучшая контакт теплового уровня со стенкой холодильника. Контейнер с холодной водой такого сделать не может. Если же таковой подкладки со снегом в холодильной камере нет, холодная вода должна замерзнуть быстрее.

Верх — внизу

Также явление того, какая вода быстрее замерзает — горячая или холодная, объясняется следующим образом. Следуя определенным законам, холодная вода замерзать начинает с верхних слоев, когда горячая делает это наоборот — начинает замерзать снизу вверх. При этом выходит, что холодная вода, имея сверху холодную прослойку с уже местами образовавшимся льдом, ухудшает себе таким образом процессы конвекции и теплового излучения, тем самым объясняется, какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая. Фото с любительских экспериментов прилагается, и здесь это четко видно.

Тепло выходит наружу, стремясь вверх, а там встречается с очень охлажденным слоем. Свободного пути для теплоизлучения не имеется, потому процесс охлаждения становится затруднительным. Таких преград на своем пути абсолютно не имеет горячая вода. Какая замерзает быстрее — холодная или горячая, от чего зависит вероятный исход, можно расширить ответ тем, что любая вода имеет определенные вещества, растворенные в ней.

Примеси в составе воды как фактор, влияющий на исход

Если не жульничать и использовать воду с одинаковым составом, где концентрации определенных веществ являются идентичными, то холодная вода должна замерзнуть быстрее. Но если же происходит ситуация, когда растворённые химические элементы в наличии только в горячей воде, а холодная вода при этом ими не обладает, тогда есть возможность у горячей воды замерзнуть раньше. Объясняется это тем, что растворенные вещества в воде создают центры кристаллизации, и при малом количестве этих центров превращение воды в твердое состоянии затруднено. Возможно даже переохлаждение воды, в том плане, что при минусовой температуре она будет находиться в жидком состоянии.

Но все эти версии, видно, не до конца устраивали ученых и они продолжали работать над этим вопросом. В 2013 году команда исследователей в Сингапуре заявила, что им удалось разгадать вековую загадку.

Группа из китайских ученых утверждает, что секрет данного эффекта состоит в количестве энергии, которая запасена между молекулами воды в ее связях, именуемых водородными.

Разгадка от китайских ученых

Далее последует информация, для понимания которой необходимо иметь некоторые знания в химии, чтобы разобраться в том, какая вода замерзает быстрее — горячая или холодная. Как известно, состоит из двух атомов Н (водорода) и одного атома О (кислорода), удерживаемых между собой ковалентными связями.

Но также атомы водорода одной молекулы притягиваются и к соседним молекулам, к их кислородной составляющей. Именно такие связи называются водородными.

При этом стоит помнить, что в то же время молекулы воды действуют друг на друга отталкивающее. Ученые отметили, что при нагревании воды между ее молекулами увеличивается расстояние, и этому способствуют как раз отталкивающие силы. Получается так, что занимая одно расстояние между молекулами в холодном состоянии, можно сказать, растягиваются, и у них появляется больший запас энергии. Именно этот запас энергии высвобождается, когда молекулы воды начинают сближаться друг с другом, то есть, происходит охлаждение. Выходит, что больший запас энергии в горячей воде, и ее большее высвобождение при охлаждении до минусовых температур, происходит быстрее, чем в холодной воде, у которой запас такой энергии меньше. Так какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая? На улице и в лаборатории должен происходить парадокс Мпембы, и горячая вода должна превращаться в лед быстрее.

Но вопрос все еще открыт

Существует лишь теоретическое подтверждение данной разгадки — все это написано красивыми формулами и кажется правдоподобным. Но вот когда данные экспериментов, какая вода быстрее замерзает — горячая или холодная, будут поставлены в практическом смысле, и их результаты будут представлены, тогда и можно будет считать вопрос парадокса Мпембы закрытым.

Феномен застывания горячей воды с большей скоростью, чем холодной, известен в науке как эффект Мпембы . Над этим парадоксальным явлением размышляли такие великие умы как Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт , но за тысячелетия никому ещё не удавалось предложить разумное объяснение этому феномену.

Лишь в 1963 году школьник из республики Танганьика, Эрасто Мпемба, заметил этот эффект на примере мороженого, но объяснения ему не дал никто из взрослых. Тем не менее, физики и химики серьёзно задумались над столь простым, но столь непонятным явлением.

С тех пор высказывались разные версии, одна из которых звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.

Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями , что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул — при этом образуются водородные связи .

В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.

Как пишут химики в своей статье , которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.

В 1963 году школьник из Танзании по имени Эрасто Мпемба задал своему учителю глупый вопрос — почему в его морозилке теплое мороженое замерзает быстрее, чем холодное?

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое – вскипятить молоко, растворить в нём сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник ещё горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой.

Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объёмами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом – 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

Вам интересно узнать почему так происходит? Буквально несколько лет назад ученым удалось объяснить данное явление …

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) – парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах. Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен ещё Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

С тех пор высказывались разные версии, одна из которых звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.

Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями, что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул — при этом образуются водородные связи.

В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.

Вот какие предположения выдвигаются учеными:

Испарение

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100°С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0°С. Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, из-за испарения понижается её температура.

Разница температур

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше – следовательно, теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Переохлаждение
Когда вода охлаждается ниже 0°С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20°С. Причина этого эффекта в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда, нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд. Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда. Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается, происходит следующее: на её поверхности образуется тонкий слой льда, который действует как изолятор между водой и холодным воздухом, и тем самым препятствует дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх. Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда. Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.
Конвекция

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Если охладить воду до 4°С и поместить её в среду с более низкой температурой, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4°С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4°С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее. В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстро за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодные слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры. Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4°С. Однако нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше, и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Теплопроводность

Этот механизм может играть существенную роль, когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос – какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы – так и не было получено. Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлаждённого состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание. Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при её кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли. Утверждать пока можно только одно – воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

А вот как говорят, наиболее вероятная причина.

Как пишут химики в своей статье, которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.

Британское Королевское химическое общество предлагает награду в 1 тысячу фунтов стерлингов тому, кто сможет объяснить с научной точки зрения, почему в некоторых случаях горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

«Современная наука все еще не может ответить на этот простой на первый взгляд вопрос. Производители мороженого и бармены используют этот эффект в своей повседневной работе, но никто в действительности не знает, почему это работает. Эта проблема известна уже тысячелетия, такие философы, как Аристотель и Декарт размышляли о ней», — сказал президент Британского Королевского химического общества, профессор Дэвид Филипс, слова которого приводятся в пресс-релизе Общества.

Как поваренок из Африки победил британского профессора физики

Это не первоапрельская шутка, а суровая физическая реальность. Нынешняя наука, с легкостью оперирующая галактиками и черными дырами, строящая гигантские ускорители для поиска кварков и бозонов, не может пояснить, как «работает» элементарная вода. Школьный учебник однозначно утверждает, что для охлаждения более нагретого тела требуется больше времени, чем для охлаждения тела холодного. А вот для воды данный закон соблюдается не всегда. На этот парадокс обращал внимание еще Аристотель в 4 веке до н. э. Вот что писал древний грек в книге «Meteorologica I»: «Тот факт, что вода предварительно нагревается, способствует ее замерзанию. Поэтому многие люди, когда они хотят быстрей охладить горячую воду, сначала ставят ее на солнце…» В средние века данный феномен пытались объяснить Френсис Бэкон и Рене Декарт. Увы, это не удалось ни великим философам, ни многочисленным ученым, развивавшим классическую теплофизику, а посему о таком неудобном факте надолго «забыли».

И только в 1968 году «вспомнили» благодаря школьнику Эрасто Мпембе из далекой от всякой науки Танзании. Обучаясь в щколе поварского искусства, в 1963 году 13-летний Мпембе получил задание сделать мороженое. По технологии, надо было вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был усердным учеником и замешкался. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по всем правилам.

Когда Мпемба поделился своим открытием с учителем физики, тот поднял его на смех перед всем классом. Мпемба запомнил обиду. Через пять лет, уже будучи студентом университета в Дар-эс-Саламе, он оказался на лекции известного физика Дениса Г. Осборна. После лекции он задал ученому вопрос: «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равным количеством воды, один с температурой 35 °C (95 °F) , а другой — 100 °C (212 °F) , и поместите их в морозильник, то вода в горячем контейнере замерзнет быстрей. Почему?» Можете себе представить реакцию британского профессора на вопрос юноши из забытой Богом Танзании. Он высмеял студента. Однако Мпемба был готов к такому ответу и вызвал ученого на пари. Их спор завершился экспериментальной проверкой, подтвердившей правоту Мпембы и поражение Осборна. Так ученик-поваренок вписал свое имя в историю науки, и отныне этот феномен носит название «эффекта Мпембы». Отбросить его, объявить как бы «несуществующим» не получается. Явление существует, и, как писал поэт, «ни в зуб ногой».

Виноваты пылинки и растворенные вещества?

За прошедшие годы многие пытались разгадать тайну замерзающей воды. Был предложен целый букет объяснений этого явления: испарение, конвекция, влияние растворенных веществ — но ни один из этих факторов нельзя признать окончательным. Ряд ученых посвятил эффекту Мпемба всю жизнь. Сотрудник кафедры радиационной безопасности Государственного университета Нью-Йорка – Джеймс Браунридж (James Brownridge) – в свободное время занимается изучением парадокса вот уже на протяжении десятилетия. Проведя сотни экспериментов, учёный утверждает, что имеет доказательства «вины» переохлаждения. Браунридж объясняет, что при 0°С вода лишь переохлаждается, а замерзать начинает, когда температура опускается ниже. Точка замерзания регулируется находящимися в воде примесями — именно они изменяют скорость формирования кристалликов льда. Примеси, а это пылинки, бактерии и растворённые соли, имеют характерную для них температуру нуклеации, когда вокруг центров кристаллизации формируются кристаллики льда. Когда в воде находятся сразу несколько элементов, температура замерзания определяется тем из них, который имеет самую высокую температуру нуклеации.

Для опыта Браунридж взял две пробы воды одинаковой температуры и поместил их в морозильную камеру. Он обнаружил, что один из экземпляров всегда замерзает раньше другого – предположительно, из-за разного сочетания примесей.

Браунридж утверждает, что горячая вода остывает быстрее из-за большей разницы между температурами воды и морозильной камеры – это помогает ей достичь своей точки замерзания прежде, чем холодная вода достигнет своей естественной точки замерзания, которая ниже, по крайней мере, на 5° С.

Впрочем, рассуждения Браунриджа вызывают много вопросов. Поэтому у тех, кто сумеет по-своему объяснить эффект Мпембы, есть шанс побороться за тысячу фунтов стерлингов от Британского королевского химического общества.

Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, или что холодная вода закипает быстрее, чем горячая?

Этот, казалось бы, простой вопрос продолжает вызывать серьезные споры. Такамаса Такахаси, физик из колледжа Св. Норберта в Де Пере, штат Висконсин, пытается дать окончательный ответ:

.

«Холодная вода закипает не быстрее, чем горячая. Скорость нагрева жидкости зависит от величины разности температур между жидкостью и окружающей средой (пламя на плите, например).В результате холодная вода будет быстрее поглощать тепло, пока она еще холодная; как только она достигает температуры горячей воды, скорость нагревания замедляется, и оттуда требуется столько же времени, чтобы довести ее до кипения, как и воду, которая была горячей с самого начала. Поскольку холодной воде требуется некоторое время, чтобы достичь температуры горячей воды, очевидно, что холодная вода кипит дольше, чем горячая. В игре может быть некоторый психологический эффект; холодная вода начинает кипеть раньше, чем можно было бы ожидать, из-за вышеупомянутой большей скорости поглощения тепла, когда вода холоднее.

«На первую часть вопроса — «Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?» — ответ: «Обычно нет, но возможно при определенных условиях». Для испарения одного грамма воды требуется 540 калорий, тогда как для нагрева одного грамма жидкой воды от 0 градусов Цельсия до 100 градусов С требуется 100 калорий. Когда вода горячее 80 градусов С, скорость охлаждения за счет быстрого испарения очень высокая, потому что каждый испаряющийся грамм вытягивает не менее 540 калорий из оставшейся воды.Это очень большое количество тепла по сравнению с одной калорией на градус Цельсия, которое извлекается из каждого грамма воды, охлаждаемой за счет обычной теплопроводности.

«Все зависит от того, насколько быстро происходит охлаждение, и получается, что горячая вода не замерзнет раньше холодной, а замерзнет раньше теплой. Вода при 100 градусах, например, замерзнет раньше, чем вода теплее 60 градусов С. но не раньше, чем температура воды будет ниже 60°C. Это явление особенно очевидно, когда площадь поверхности, которая охлаждается за счет быстрого испарения, велика по сравнению с количеством задействованной воды, например, когда вы моете машину горячей водой в холодный зимний день.[Для справки см. «Концептуальную физику» Пола Г. Хьюитта (HarperCollins, 1993).]

«Еще одна ситуация, при которой горячая вода может замерзнуть быстрее, это когда в морозильную камеру помещают кастрюлю с холодной водой и кастрюлю с горячей водой одинаковой массы. Возникает упомянутый выше эффект испарения, а также тепловой контакт с Полка морозильной камеры будет охлаждать нижнюю часть водоема.Если вода достаточно холодная, около четырех градусов С (температура, при которой вода имеет наибольшую плотность), то почти замерзшая вода со дна поднимется наверх.Конвекционные потоки будут продолжаться до тех пор, пока температура всей воды не достигнет 0 градусов по Цельсию, после чего вся вода окончательно замерзнет. Если вода изначально горячая, охлажденная вода внизу плотнее, чем горячая вода вверху, поэтому конвекции не будет, и нижняя часть начнет замерзать, а верхняя часть еще теплая. Этот эффект в сочетании с эффектом испарения в некоторых случаях может привести к тому, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. В этом случае, конечно, морозильник в течение заданного времени будет больше работать, извлекая из горячей воды больше тепла.»

Роберт Эрлих из Университета Джорджа Мейсона в Фэрфаксе, штат Вирджиния, добавляет к некоторым пунктам, сделанным Такахаши:

«Есть два способа, которыми горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная. Один из способов [описанный в книге Джерла Уокера «Летающий цирк физики» (Wiley, 1975)] зависит от того факта, что горячая вода испаряется быстрее, так что если вы Начав с равных масс горячей и холодной воды, скоро будет меньше горячей воды для замерзания, и, следовательно, она догонит холодную воду и замерзнет первой, потому что чем меньше масса, тем короче время замерзания.Это может произойти и по-другому (в случае с плоскодонной посудой с водой, помещенной в морозильную камеру), если горячая вода растопит лед под дном посуды, что приведет к лучшему тепловому контакту при повторном замерзании».

Все еще сомневаетесь? Фред В. Декер, метеоролог из Орегонского государственного университета в Корваллисе, призывает читателей решить вопрос самостоятельно:

«Вы можете легко поставить эксперимент, чтобы узнать, что замерзает раньше: вода, которая изначально горячая, или вода, которая изначально холодная.Используйте заданную настройку на электрической плите и замерьте время между запуском и кипением для данной кастрюли, содержащей, скажем, одну кварту воды; сначала начните с воды настолько холодной, насколько позволяет кран, а затем повторите это с самой горячей водой, доступной из этого крана. Держу пари, литр воды, изначально горячей, закипит за гораздо меньшее время, чем литр воды, изначально холодной.

«Эксперимент по замораживанию выполнить сложнее, потому что в идеале для него требуется проходная холодильная камера с температурой ниже точки замерзания.Возьмите в камеру две литровые молочные бутылки, наполненные водой, одну из горячего крана, а другую из холодного крана вне камеры. Подождите, пока они замерзнут, и я снова ставлю на то, что изначально более холодная вода замерзнет раньше, чем изначально горячая.»

[Мы хотели бы добавить, что если вы не хотите страдать в морозильной камере, вы можете провести достаточно хорошую версию вышеописанного эксперимента в морозильной камере вашего холодильника; только не проверяйте воду слишком часто — в этом случае она никогда не замерзнет — или слишком редко, и в этом случае вы можете пропустить момент, когда одна емкость замерзнет, ​​а другая — нет.]

Декер заключает, что «большая часть фольклора является результатом попыток ответить на такой вопрос в условиях, которые не делают «все остальные вещи равными», как это делают предыдущие эксперименты».

Все еще сомневаетесь? Фред В. Декер, метеоролог из Орегонского государственного университета в Корваллисе, предлагает читателям самим решить этот вопрос:

«Вы можете легко поставить эксперимент, чтобы узнать, что замерзает раньше: вода, которая изначально горячая, или вода, которая изначально холодная.Используйте заданную настройку на электрической плите и замерьте время между запуском и кипением для данной кастрюли, содержащей, скажем, одну кварту воды; сначала начните с воды настолько холодной, насколько позволяет кран, а затем повторите это с самой горячей водой, доступной из этого крана. Держу пари, литр воды, изначально горячей, закипит за гораздо меньшее время, чем литр воды, изначально холодной.

«Эксперимент по замораживанию выполнить сложнее, потому что в идеале для него требуется проходная холодильная камера с температурой ниже точки замерзания.Возьмите в камеру две литровые молочные бутылки, наполненные водой, одну из горячего крана, а другую из холодного крана вне камеры. Подождите, пока они замерзнут, и я снова ставлю на то, что изначально более холодная вода замерзнет раньше, чем изначально горячая.»

[Мы хотели бы добавить, что если вы не хотите страдать в морозильной камере, вы можете провести достаточно хорошую версию вышеописанного эксперимента в морозильной камере вашего холодильника; только не проверяйте воду слишком часто — в этом случае она никогда не замерзнет — или слишком редко, и в этом случае вы можете пропустить момент, когда одна емкость замерзнет, ​​а другая — нет.]

Декер заключает, что «большая часть фольклора возникла в результате попыток ответить на этот вопрос в условиях, которые не делают «все остальные вещи равными», как это делают предыдущие эксперименты.

MIT School of Engineering | » Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная? №

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Это извечный вопрос с простым ответом: нет.

Сара Дженсен

Со времен Аристотеля как исследователи, так и ученые-любители спорят о контринтуитивной теории о том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.У этого понятия даже есть название: эффект Мпембы, названный в честь танзанийского школьника, который в 1963 году заметил, что мороженое, приготовленное им и его одноклассниками из теплого молока, замерзает быстрее, чем мороженое из холодного молока.

«Независимо от того, какова начальная температура воды, ее необходимо довести до точки замерзания, прежде чем она изменит свое состояние и превратится в лед», — говорит Пракаш Говиндан, научный сотрудник отдела машиностроения Массачусетского технологического института. На самом деле потребуется больше времени и/или энергии, чтобы заморозить горячую воду, потому что ее температуру нужно еще больше понизить, пока она не достигнет точки замерзания, около 0,°C.

Говиндан предлагает провести простой эксперимент, чтобы продемонстрировать, что горячая и холодная вода будут вести себя так, как предсказывает логика. «Наполните две одинаковые емкости горячей и холодной водопроводной водой из кухонной раковины и посмотрите, какая из них замерзнет первой», — говорит он. Интересно, отмечает он, скорость изменений в этом эксперименте не будет одинаковой. «Когда вы помещаете их в морозильную камеру, морозильная камера будет работать усерднее, чтобы снизить температуру горячей воды, поэтому изначально скорость теплопередачи в горячей воде будет выше.Однако другой контейнер будет охлаждаться в то же время (хотя и не с такой же скоростью).

Когда температура воды в каждом контейнере достигает примерно 0 ° C, она будет претерпевать те же изменения, что и при переходе из жидкого состояния в твердое, и потребуется такое же количество времени, чтобы начать формироваться крошечные кристаллы льда. В этот момент каждая смесь жидкости и льда будет иметь одинаковую температуру, и по мере того, как от этих смесей будет отбираться больше тепла, вступает в силу термодинамический принцип скрытой теплоты: вода продолжает переходить в твердое состояние, но больше не изменяется. в температуре.«Пока у вас есть смесь жидкой воды и твердого льда, температура будет оставаться равной 0, пока вся вода не замерзнет», — говорит Говиндан.

Никогда не было убедительно доказано, что горячая и холодная вода ведут себя по-разному на любом этапе процесса замораживания, несмотря на продолжающееся увлечение эффектом Мпембы. В начале 2013 года Королевское химическое общество Европы даже провело конкурс на лучшее объяснение теории. Победитель предположил, что горячая вода действительно замерзает быстрее, если холодную воду предварительно переохладить.Но логика побеждает, когда речь идет об обычной воде из домашнего крана. Скорее всего, на температуру замерзания воды влияет наличие примесей, таких как соль, растворенные твердые вещества и газы, а также ингредиенты домашнего мороженого.

Спасибо Хубайбу Мухтару из Пакистана за этот вопрос.

30 апреля 2013 г.

Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная: физики решили эффект Мпембы | Блог The Physics arXiv | The Physics arXiv Blog

Аристотель первым заметил, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, но химики всегда пытались объяснить этот парадокс.До сих пор

Вода может быть одним из самых распространенных соединений на Земле, но она также и одна из самых загадочных. Например, как и большинство жидкостей, она становится более плотной при охлаждении. Но в отличие от них он достигает состояния максимальной плотности при 4°С, а затем становится менее плотным перед тем, как замерзнуть.

В твердом состоянии он еще менее плотный, поэтому стандартный лед плавает на воде. Это одна из причин, почему жизнь на Земле процветала: если бы лед был плотнее воды, озера и океаны замерзали бы снизу вверх, что почти наверняка предотвратило бы химию, которая делает возможной жизнь.

Еще есть странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная, на уроках кулинарии в начале 1960-х годов. (На самом деле, этот эффект был отмечен многими учеными на протяжении всей истории, включая Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта.)

Эффект Мпембы — это наблюдение, согласно которому теплая вода замерзает быстрее, чем холодная. Эффект измерялся во многих случаях с выдвижением множества объяснений.Одна из идей заключается в том, что теплые контейнеры обеспечивают лучший тепловой контакт с холодильником и, таким образом, более эффективно проводят тепло. Отсюда более быстрое замораживание. Во-вторых, теплая вода быстро испаряется, и, поскольку это эндотермический процесс, она охлаждает воду, заставляя ее замерзать быстрее.

Ни одно из этих объяснений не является полностью убедительным, поэтому истинное объяснение до сих пор не найдено.

Сегодня Си Чжан из Наньянского технологического университета в Сингапуре и несколько его приятелей предоставили один.Эти ребята говорят, что парадокс Мпембы является результатом уникальных свойств различных связей, удерживающих воду вместе.

Что такого странного в связях в воде? Одна молекула воды состоит из относительно большого атома кислорода, соединенного с двумя меньшими атомами водорода стандартными ковалентными связями.

Но соедините молекулы воды, и водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит, когда водород в одной молекуле приближается к кислороду в другой и связывается с ним.

Водородные связи слабее ковалентных, но сильнее сил Ван-дер-Ваальса, которые гекконы используют для лазания по стенам.

Химики давно знают, что они важны. Например, температура кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с аналогичными молекулами, потому что водородные связи удерживают ее вместе.

Но в последние годы химики все больше осознают более тонкую роль, которую могут играть водородные связи. Например, молекулы воды внутри узких капилляров образуют цепочки, скрепленные водородными связями.Это играет важную роль в деревьях и растениях, где испарение воды через листовую мембрану эффективно вытягивает цепочку молекул воды вверх от корней.

Теперь Си и его коллеги говорят, что водородные связи также объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея заключается в том, что водородные связи приводят молекулы воды в тесный контакт, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами заставляет ковалентные связи O-H растягиваться и накапливать энергию.

Но когда жидкость нагревается, водородные связи растягиваются, и молекулы воды располагаются дальше друг от друга.Это позволяет ковалентным молекулам снова сжиматься и отдавать свою энергию. Важным моментом является то, что этот процесс, при котором ковалентные связи отдают энергию, эквивалентен охлаждению.

По сути, эффект является дополнительным к обычному процессу охлаждения. Поэтому говорят, что теплая вода должна остывать быстрее, чем холодная. Именно это и наблюдается в эффекте Мпембы.

Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждающего эффекта и показали, что именно он объясняет наблюдаемые различия в экспериментах по измерению разной скорости охлаждения горячей и холодной воды.

Вуаля! Это интересное понимание сложных и загадочных свойств воды, из-за которых химики до сих пор не спят по ночам.

Но хотя идея Си и компании убедительна, это не совсем тот теоретический данк, который потребуется многим физикам для решения вопроса. Это потому, что новой теории не хватает предсказательной силы — по крайней мере, в этой статье.

Кси и компания должны использовать свою теорию, чтобы предсказать новое свойство воды, которого нет в традиционном представлении о воде.Например, укороченные ковалентные связи могут привести к некоторым измеримым свойствам воды, которых в противном случае не было бы. Открытие и измерение этого свойства было бы coup de grace , в котором нуждается их теория.

Таким образом, хотя эти ребята, возможно, решили загадку эффекта Мпембы, им, вероятно, придется немного поработать, чтобы убедить всех. Тем не менее, интересные вещи!

Ссылка: arxiv.org/abs/1310.6514: Аномальная релаксация связи O:HO Разрешение парадокса Мпембы

Вопрос об эффекте Мпембы: горячая вода не остывает быстрее, чем холодная

Анализ наших данных «стиля Мпембы» и данных из других исследований

На рис. 1 показано изменение времени t 0 для охлаждения образцов до 0 °C с начальной температурой из различных исследований, включая наши эксперименты «типа Мпембы».Мы попытались представить широкий набор опубликованных экспериментальных данных, касающихся эффекта Мпембы. Заметим, что данные тщательных экспериментов   29 , сообщающих о времени охлаждения до 0 °C (их рис. 5), в которых не было обнаружено признаков эффекта Мпембы, не могли быть включены из-за трудностей с точным получением данных из их печатная фигура. Их результаты для времени нарастания слоя льда до глубины 25 мм не могут быть справедливо включены в наш анализ, так как мы исключаем процесс промерзания; однако мы обсуждаем эти результаты, когда делаем выводы.Масса воды, геометрия ее контейнера и характер охлаждения сильно различались между различными наборами данных, и это различие отражается в разбросе данных. Из рис. 1 трудно сделать какие-либо выводы из данных, за исключением того, что, вообще говоря, время охлаждения увеличивается с начальной температурой. Единственным исключением, в котором представлены данные (в широком диапазоне температур), демонстрирующие тенденцию к уменьшению времени охлаждения с повышением начальной температуры, являются данные Mpemba & Osborne 8 .

Рисунок 1

Время t 0 для охлаждения до 0 °C в зависимости от начальной температуры, T i для экспериментов типа Мпемба.

Данные показывают широкую тенденцию к увеличению времени охлаждения с повышением начальной температуры, за исключением данных Mpemba & Osborne 8 .

На рисунке 2 показано изменение времени охлаждения t 0 , масштабированное по конвективной временной шкале, с усредненным по температуре числом Рэлея из различных исследований, подробно описанных на рис.1 (подробнее о шкале конвективного времени и усредненном по температуре числе Рэлея см. в разделе «Методы»). Некоторые из исследований, включенных в рис. 2, не предоставили в явном виде все детали, необходимые для масштабирования данных, и в таких случаях мы сделали разумные оценки на основе предоставленной информации (подробности о которых также представлены в нашем разделе «Методы»). Экспериментальные условия сильно различаются между восемью независимыми исследованиями, данные которых включены в рисунок. Отсутствует очевидная систематическая погрешность времени охлаждения, основанная на геометрии охлаждающего сосуда, несмотря на то, что отношение ширины к высоте D/H изменяется в пятнадцать раз, а глубина охлаждаемой воды варьируется в 10 раз. коэффициент восемь в пределах данных — указывает, что геометрия может быть надлежащим образом отражена шкалами длины в пределах усредненного по температуре числа Рэлея Ra T .Однако существует очевидное смещение во времени охлаждения, основанное на характере охлаждения, и мы в целом разделили данные на два набора данных. Первый набор мы описываем как данные с преобладанием конвекции (отмечены сплошными символами на рис. 2), который в основном состоит из образцов, в которых основание было изолировано или охлаждение снизу было каким-то образом подавлено (см. легенду на рис. 2 для Детали). В таких случаях отсутствует прямая теплопередача между основанием морозильной камеры (или охлаждающей плитой) и пробой воды, которая преимущественно охлаждается через боковые или верхнюю часть пробы, что способствует неустойчивому расслоению плотности.В таких случаях теплопередача подавляется добавлением изоляции, и, следовательно, время охлаждения обычно увеличивается, несмотря на возросшую роль конвекции. Второй набор данных, который мы описываем как «стабильно охлажденный» (отмечен синими полыми символами на рис. 2), состоит из данных, для которых поток тепла через основание образца, как ожидается, будет значительным (например, где образец был помещен непосредственно на охлаждающей пластине), и ожидается, что охлаждение будет способствовать стабильному расслоению пробы воды (по крайней мере, выше 4 °C).Рисунок 2 Число Рэлея, Ra T  =  t усл. / t усл.

Данные «стабильно охлажденные» отмечены синими открытыми символами, а данные «конвективно преобладающие» отмечены сплошными символами.Черная сплошная линия отмечает масштабирование для конвективного охлаждения с высоким числом Рэлея (5).

Данные в каждом отдельном наборе данных демонстрируют в целом последовательную тенденцию, при этом время охлаждения увеличивается с Ra T , а наборы данных лучше всего подходят (в смысле наименьших квадратов) по степенному закону примерно . Это говорит о том, что время охлаждения соответствует

. Заметим, что мы масштабировали данные на рис. 1, используя ряд альтернативных определений числа Рэлея, например, взяв все параметры в начальных условиях или комбинируя индивидуально усредненные по температуре параметры, чтобы сформировать Число Рэлея, ср. Уравнение (7). Различные определения числа Рэлея, которые мы тестировали, привели к тому, что различные наборы данных показали тенденции, хорошо аппроксимированные (1).

Из соображений конвекции с высоким числом Рэлея, в которой допущение о независимости теплового потока от глубины жидкости, следует, что Δ T/H ) — число Нуссельта, где κ — температуропроводность жидкости, Q — пропорциональна потоку тепла, а Δ T — характерная разность температур между жидкостью и охлаждаемой поверхностью. .Тогда скорость изменения температуры для данного образца пропорциональна тепловому потоку, т.е. (2) можно записать

, где β и v — коэффициент теплового расширения и кинематическая вязкость жидкости, а A — площадь охлажденной поверхности жидкости. Отсюда

где и – начальная и конечная характерные разности температур (между жидкостью и охлаждаемой поверхностью).Таким образом,

Заметим, что при выводе (5) мы предположили, что поведение конвекции связано с поведением конвекции с асимптотически высоким числом Рэлея. Данные исследования эффекта Мпембы, представленные на рис. 2 (полученные при начальных числах Рэлея до O (10 10 )), хорошо согласуются с тенденцией, предсказываемой (5), что позволяет предположить, что экспериментальные данные можно рассматривать как высокое число Рэлея. Таким образом, если показано, что данные, представленные на рис. 2, не демонстрируют эффекта Мпембы, как мы продолжаем утверждать, то следует ожидать, что данные, полученные при более высоких числах Рэлея, также не будут проявлять эффект Мпембы.

Анализ возникновения эффекта Мпембы

Вышеприведенный анализ, хотя и информативен в отношении физики охлаждающей воды, не указывает явным образом, когда наблюдался эффект Мпембы. Чтобы установить единичное наблюдение эффекта Мпембы, необходимо сравнить два опыта, идентичных во всем, за исключением разницы в начальных температурах проб воды. Тогда можно утверждать, что эффект Мпембы можно считать наблюдаемым, если образец воды, изначально находившийся при более высокой температуре, первым достигает желаемой температуры охлаждения.Чтобы проиллюстрировать, когда может наблюдаться эффект Мпембы, мы рассмотрим среднюю скорость, с которой тепло передается Q H и первоначально холодным Q C образцам. , где для данного образца Q = Δ E / T 9 / T 0 = ( E I E 0 ) / T 0 α δ T / T 0 = ( T I T 0 ) / T 0 с E I и E 0 Обозначение начальная и конечная энтальпии образцов соответственно.

Эффект MPEMBA можно сообщить, что наблюдается, когда неравенство Q H / Q C 9 E H / Δ E C Удовлетворен, с г H / Q C > Δ E H / δ E C T C > t H , где t c и t H обозначают время охлаждения холодного и горячего образцов соответственноРисунок 3 (а) Указывает изменение в соотношении Q H / Q C с δ E H / δ E C (или эквивалентно δ T H T C ) для различных пар данных, представленных на рис. 1, и результатов наших экспериментов «второго типа» (см. раздел «Методы»). На рис. 3(б) показаны результаты наших экспериментов «второго типа» с учетом пространственного варьирования измерений температуры.Отношения Q H / ri C = δ E H / Δ E E C отмечены твердыми черными линиями в фиг. 3. Следовательно, любые данные, лежащие выше этой линии, можно обоснованно рассматривать как наблюдение эффекта Мпембы.

Рисунок 3

Изменение отношения средней скорости теплопередачи к начальной температуре (или эквивалентной энтальпии) для пар идентичных во всем остальном образцов горячей и холодной воды.

( a ) Исторические данные, показанные на рис. 1, и сводка наших экспериментов «второго типа». ( b ) Результаты наших экспериментов «второго типа». Черные твердые линии Mark Q H / Q C = Δ T H / δ T C . Зеленые крестики () в ( b ) показывают данные, которые мы бы сообщали, если бы высота, на которой мы измеряем температуру, была неточной на 1 см.

ОБСЛУЖИВАНИЕ Рис. 3А показывает, что большинство данных сообщили, что лежат ниже подразделения «Линия эффекта MPEMBA» ( Q Q / Q C = δ E H / Δ E C ) и, следовательно, эффект Мпембы в этих случаях явно не наблюдался. Данные ряда исследований действительно лежат на линии эффекта Мпембы или чуть выше нее. Примечательно, что эти данные имеют тенденцию располагаться к левому концу горизонтальной оси, т.е.е. температура более горячего образца лишь незначительно выше температуры более холодного образца. Это говорит о том, что любые неточности в измерении температуры могут быть значительными. Есть два набора данных, которые являются исключениями из этого вывода, а именно, Mpemba & Osborne 8 и Thomas 14 . Ни одно из данных Томаса 14 не лежит намного выше линии эффекта Мпембы. Действительно, на рис. 3b представлены данные наших экспериментов «второго типа», т. е. тех, которые были разработаны, чтобы избежать образования льда, в которых мы регистрировали температуры в диапазоне разных высот в каждом образце.В дополнение к нашим данным, полученным путем сравнения температур, зарегистрированных на одинаковой высоте в более горячих и более холодных образцах, рис. 1 см. Эти данные показывают наблюдения, лежащие выше линии эффекта Мпембы, и поэтому их можно было бы совершенно неправильно описать как наблюдения эффекта Мпембы, если бы в наших экспериментах не было уделено достаточно внимания.Вертикальное и горизонтальное расположение этих данных на рисунке охватывает область, которая включает все данные, сообщающие о наблюдениях эффекта Мпембы в других исследованиях. Следовательно, если бы в какой-либо конкретной серии экспериментов вертикальное положение измерений температуры было неправильным, всего на 1 см, то из данных этих экспериментов можно было бы (опять же совершенно неправильно) заключить, что Мпемба наблюдалась. Мы отмечаем, что в исследованиях, сообщающих о наблюдениях эффекта Мпембы, авторы либо не могут воспроизвести эффект воспроизводимым образом, либо не сообщаются детали, относящиеся к точной высоте измерения температуры.Единственное исследование, включающее наблюдения за областью, охваченной нашими данными, показанной на рис. 3b, — это исследование Mpemba & Osborne 8 , которое включает наблюдения, расположенные как намного выше линии эффекта Мпембы, так и ближе к правому концу графика. по горизонтальной оси — отмечаем, что эти данные показывают значительный разброс от любого физически разумного тренда.

Мы попытались связаться с обоими авторами, г-ном Эрасто Б. Мпемба и д-ром Денисом Осборном. Пытаясь связаться с доктором Осборном, мы были опечалены известием о его смерти в сентябре 2014 года.Похоже, что на протяжении всей своей жизни доктор Осборн продолжал вносить чрезвычайно позитивный вклад как в науку, так и в политику. До сих пор нам не удалось связаться с г-ном Мпембой, хотя мы знаем, что он был главным специалистом по охоте в Министерстве природных ресурсов и туризма Танзании, отдел дикой природы (сейчас он на пенсии). Нам не удалось установить источник какой-либо систематической ошибки в экспериментальной процедуре или экспериментальной установке Mpemba & Osborne 8 , которая могла привести к регистрации таких экстремальных данных.

Обсуждение и выводы

Мы пришли к выводу, что, несмотря на все наши усилия, нам не удалось наблюдать какие-либо физические эффекты, которые можно было бы разумно назвать эффектом Мпембы. Более того, мы показали, что все данные (за исключением одного исследования), сообщающие о наблюдениях эффекта Мпембы в рамках существующих исследований, попадают чуть выше линии эффекта Мпембы, т. е. разницы во времени охлаждения между горячим и холодным образцы маргинальны.Мы показали (рис. 3), что большая часть данных, свидетельствующих о наблюдениях эффекта Мпембы, была получена из исследований, в которых не сообщалось о высоте, на которой измерялась температура 7,14,20,21,22,23 и что выводы полученные из этих данных, можно было бы изменить, просто записав температуру без точного контроля высоты. В самом деле, все данные, лежащие чуть выше линии эффекта Мпембы на рис. 3 (включая данные, для которых высота измерения температуры тщательно отслеживалась и сообщалась 17,24,28 ), по самой природе экспериментов подлежат некоторая степень неопределенности, которая может в конечном итоге повлиять на то, будут ли наблюдаемые результаты зарегистрированы как очевидное наблюдение эффекта Мпембы или нет.Чтобы быть точным в том, что мы подразумеваем под этим утверждением, давайте теперь рассмотрим сообщения о наблюдениях эффекта Мпембы, возможно, в двух наиболее тщательных сериях экспериментов в литературе 28,29 . В исследовании 28 представлены данные для одного наблюдения эффекта Мпембы, но также сообщается о получении «различных кривых охлаждения, даже если начальные температуры были идентичными», кроме того, они заявляют, что «можно провести тщательные и точные эксперименты по изучению эффекта Мпембы». пробовали одновременно охлаждать горячую и холодную воду в двух одинаковых емкостях, но получить научно значимые и воспроизводимые результаты крайне сложно».В исследовании 29 показано потенциальное наблюдение эффекта Мпембы (время роста слоя льда до толщины 25 мм, их цифра 19) для одной пары начальных температур (из 21 возможной пары начальных температур) , а именно пару начальных температур 10 °C и 15 °C. По данным, записанным на фиксированной высоте (например, 5 мм), образцы, охлаждающиеся от 15 °C, показывают среднее время охлаждения приблизительно 95 минут, тогда как среднее время охлаждения образцов от 10 °C составляет приблизительно 105 минут — следовательно, если взять только среднее значение Из данных для этого конкретного температурного спаривания можно было бы описать эффект Мпембы как наблюдаемый.Однако различия в условно идентичных экспериментах значительны. При той же высоте записи для образцов, охлаждающихся от 15 °C, регистрируемое время охватывает диапазон 95–105 минут, тогда как для образцов, охлаждающихся от 10 °C, регистрируемое время охватывает диапазон 100–110 минут. Таким образом, вариации в теоретически идентичных экспериментах, по крайней мере, достаточно велики, чтобы любой вывод о том, что эффект Мпембы наблюдался в средних данных, был весьма сомнительным, и поэтому это нельзя рассматривать как значимое наблюдение эффекта.

Единственным исключением из приведенных выше утверждений является единственное исследование, в котором сообщаются некоторые данные, показывающие резкое охлаждение более теплых образцов за значительно меньшее время (т. е. точки данных, находящиеся намного выше линии Q H / Qc  = Δ T H Tc на рис. 3) — это данные, представленные Mpemba & Osborne 8 . Если бы эти данные можно было воспроизвести воспроизводимым образом и понять лежащий в их основе механизм, то они имели бы реальное значение для множества приложений, основанных на передаче тепла.Например исх. 8, сообщается об охлаждении образца от 90°C до точки замерзания за 30 минут, в то время как образец при 20°C охлаждался до точки замерзания за 100 минут, т.е. наблюдалось увеличение средней скорости теплопередачи во время охлаждения в 15 раз на просто увеличивая начальную температуру образца. При использовании современных теплообменников такой результат будет иметь серьезные последствия для эффективности любого количества обычных промышленных процессов. Однако в течение последующих 47 лет многочисленные исследования пытались продемонстрировать «эффект» в масштабе, сравнимом с тем, о котором сообщили Мпемба и Осборн.Несмотря на эти усилия, в том числе наши собственные, ни одна из них не увенчалась успехом. Поэтому мы должны утверждать, что этот конкретный набор данных может быть в корне ошибочным, и, таким образом, если не будет доказана его воспроизводимость и повторяемость, этот набор данных следует рассматривать как ошибочный.

Мы должны подчеркнуть, что наша основная цель заключалась в изучении охлаждения воды до точки замерзания (наблюдаемой при стандартных атмосферных условиях), т.е. энтальпийного эквивалента 0 °C. При этом мы смогли показать, что большая часть опубликованных экспериментальных данных демонстрирует скейлинговое поведение, связанное с конвекцией с асимптотически высоким числом Рэлея.Таким образом, нельзя ожидать, что образцы с горячей водой охлаждаются до 0 °C быстрее, чем более холодные образцы, проводя эксперименты при более высоких числах Рэлея. Согласно нашему определению эффекта Мпембы, схожему с определением в «оригинальной» статье Мпембы и Осборна 8 (в которой они задокументировали «время начала замерзания воды»), мы вынуждены заключить, что «эффект Мпембы ‘ не является подлинным физическим эффектом и является научной ошибкой.

Если расширить определение эффекта Мпембы, включив в него процесс замораживания, то можно изучить экспериментальные данные, представленные в ряде научных исследований, которые стремились включить эффект замораживания, например.г. ссылки 9,21,22,28 и 29. Замерзание воды в лед является термодинамически интенсивным процессом. Например, энергия, необходимая для фазового перехода данной массы воды при 0 °C в лед при 0 °C, приблизительно равна энергии, необходимой для охлаждения той же массы воды от 80 °C до 0 °C в жидкое состояние. Таким образом, интуиция подсказывает, что время полного замерзания образца воды может лишь слабо зависеть от начальной температуры воды. Кроме того, замораживание инициируется процессом зародышеобразования и, как таковое, подвержено вариациям в мельчайших физических масштабах, например.г. дефекты поверхности контейнеров или примеси в пробах воды — физические масштабы которых чрезвычайно трудно контролировать даже в самых точных экспериментах. Такая интуиция полностью подтверждается экспериментальными данными, и ни одно исследование не может сообщить о повторяющихся наблюдениях эффекта Мпембы, когда включен процесс замораживания 9,21,22,28,29 . Были сделаны экспериментальные наблюдения за конкретным примером охлаждения и замерзания теплой воды за меньшее время, чем за конкретным примером изначально более холодной воды — о чем еще предстоит сообщить, так это о каких-либо экспериментальных доказательствах того, что образцы воды можно постоянно охлаждать и замораживать за меньшее время. (время меньше на воспроизводимую и статистически значимую величину), просто инициируя охлаждение с более высокой температуры.Таким образом, мы можем заключить, что даже если процесс замораживания включен в определение эффекта Мпембы, эффект Мпембы нельзя наблюдать каким-либо значимым образом.

Такой вывод нас не радует, даже наоборот. Эффект Мпембы оказался замечательной головоломкой, которая может привлечь и заинтересовать людей всех возрастов и профессий в поисках научного понимания. Однако роль ученых состоит в том, чтобы объективно исследовать факты и дополнительные знания, сообщая о выводах, и поэтому мы чувствуем себя обязанными распространять наши выводы.Наконец, мы хотим дать надежду преподавателям, которые, возможно, ранее полагались на эффект Мпембы как на полезный инструмент для вдохновения своих учеников. Существует множество подлинных научных артефактов, которые могут продолжать служить источником такого вдохновения. Например, попробуйте наполнить два одинаковых стакана, один пресной водой, а другой соленой водой (оба одинаковой температуры), положите в каждый несколько кубиков льда и понаблюдайте, какой из них растает первым — многие ученики удивятся результату, обнаружив его вопреки своему опыту и интуиции.Точно так же можно попробовать положить тонкий лист картона поверх стакана с водой, перевернуть стакан вверх дном, а затем убрать руку с карты — наблюдайте, как атмосферное давление воздуха позволяет воде удерживаться в стакане — повторите это. , заменив карту на жесткую сетку с отверстиями до нескольких миллиметров, и вода все равно будет удерживаться внутри стакана 32 . Мы надеемся, что эти примеры послужат катализатором для тех, кто ищет другие примеры подлинной науки, и что они помогут пробудить научный интерес у будущих поколений.

Что замерзает быстрее, горячая или холодная вода?


Вопрос задан: Бен Кобб

Ответить

При прочих равных холодная вода замерзает быстрее.

Требуется время, чтобы энергия, содержащаяся в горячем объекте, передалась холодному объекту. Однако скорость теплопередачи пропорциональна температуре разница между двумя объектами, поэтому горячая вода теряет тепло быстрее, чем холодная.Другими словами, если у вас есть вода с температурой 90 градусов по Цельсию и вода с температурой 10 градусов по Цельсию, а температура в морозильной камере -10 градусов по Цельсию, горячая вода будет терять тепло в пять раз быстрее, чем холодная вода; однако холодная вода все равно выиграет гонку. Как горячая вода охлаждает, его скорость теплопередачи уменьшится, поэтому он никогда не догонит по холодной воде.

Некоторые люди утверждают, что горячая вода замерзает быстрее, потому что в холодный зимний день можно подбросить в воздух кастрюлю с кипящей водой, и она замерзнет в воздухе, создав дождь из ледяных кристаллов.В то время как кастрюля с холодной водой, брошенная в воздух, падает большими каплями воды. Это происходит потому, что горячая вода так близка к пара , что при подбрасывании его в воздух он распадается на крошечные капельки. (Горячая вода менее вязкая, чем холодная вода , послушайте звук, который она издает, когда вы наливаете ее в раковину) Маленькие капли воды имеют большую площадь поверхности, что позволяет сильно испаряться, что быстро отводит тепло. И, наконец, охлажденные капли настолько малы, что легко замерзают на зимнем воздухе.Все это происходит до того, как вода упадет на землю. Холодная вода более густая и липкая, она не распадается на такие мелкие кусочки при выбросе в воздух, поэтому стекает большими каплями.
Отвечает: Джо Ларсен, доктор философии. Химия, Научный центр Роквелла, Лос-Анджелес, Калифорния

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? | Научный проект

Влияет ли температура на скорость замерзания воды?

  • Морозильник
  • 3 миски одинакового размера и формы
  • Самоклеящиеся этикетки
  • Маркер
  • Вода
  • Мерный стакан
  • Термометр
  • Ноутбук
  • Карандаш
  1. Освободите достаточно места в морозильной камере для трех мисок.Вы должны иметь возможность положить их в морозильную камеру точно в одно и то же время, чтобы потом не перемещать замороженные продукты и напитки.
  2. Подумайте, что вы знаете о льде. Какая температура воды перед замерзанием? Вероятно, вы обычно принимаете ванны в теплой воде. Как быстро остывает вода, когда вы находитесь в ванне?
  3. Рассмотрев различные температуры воды и льда, сделайте предположение, называемое -гипотезой , и ответьте на вопрос: замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?
  4. Запишите свою гипотезу в тетради, в том числе укажите, как вы думаете, горячая, теплая или холодная вода замерзнет первой, и почему .
  5. С помощью маркера напишите Hot на одной из этикеток. Повторите с метками для Теплых и Холодных.
  6. Наклейте липкие этикетки на каждую из трех мисок, по одной на каждую миску. Этикетки помогут вам следить за тем, какая чаша поддерживает какую температуру воды.
  7. Нарисуйте карандашом три столбца в своей тетради. Назовите первый столбец «Горячий», второй — «Теплый», а третий — «Холодный».
  8. С помощью взрослого нагрейте 1 чашку воды до 100 градусов по Фаренгейту.Вылейте его в горячую миску, стараясь не обжечься.
  9. Нагрейте 1 чашку воды до 70 градусов по Фаренгейту и вылейте ее в теплую миску.
  10. Наполните миску для холода водой температурой 40 градусов по Фаренгейту.
  11. Немедленно поместите все три миски в морозильную камеру.
  12. Запишите начальные температуры в нужных столбцах своей тетради.
  13. Открывайте дверцу морозильной камеры каждые 10 минут и измеряйте температуру воды в каждой миске с помощью термометра.Запишите температуру в тетрадь.
  14. Повторяйте шаг 13, пока все три миски не замерзнут.
  15. Сравните информацию в каждом из трех столбцов вашей записной книжки. Верна ли была ваша гипотеза?

Чаши с горячей и теплой водой замерзнут быстрее, чем чаши с холодной водой.

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, известна как Mpemba эффект . Итак, почему возникает эффект Мпембы?

Во-первых, вся вода испаряется , а это означает, что жидкость (вода) «исчезает» и становится паром , или газом.Горячая вода испаряется гораздо быстрее, чем холодная. Это означает, что в миске с горячей водой на самом деле было меньше воды, чем в миске с холодной водой, что способствовало более быстрому замерзанию.

Во-вторых, конвекция (передача тепла внутри воды при ее движении) играет роль в том, что горячая вода замерзает быстрее, чем чаша с холодной водой. У горячей воды больше конвекционных потоков, чем у холодной, поэтому она остывает гораздо быстрее. Вот почему вода в ванне всегда остывает намного быстрее, чем вам хотелось бы!

Теперь, когда вы знаете о замерзании воды при разных температурах, продолжайте науку, проверяя другие жидкости, такие как молоко или яблочный сок.Замерзнет ли теплое молоко быстрее, чем холодное? Или вообще сменить проект! Молоко замерзает быстрее, чем вода при той же температуре? Суть науки в том, чтобы угадывать, что произойдет, а затем проверять, правы ли вы. Теперь вы знаете, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, поэтому придумайте новый интересующий вас проект. Постоянно меняя свои эксперименты, вы продолжите узнавать новое и станете гением науки!

Отказ от ответственности и меры предосторожности

Обучение.com предоставляет идеи проекта научной ярмарки для информационных только цели. Education.com не дает никаких гарантий или заявлений относительно идей проекта научной ярмарки и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация. Получая доступ к идеям проекта научной ярмарки, вы отказываетесь и отказаться от любых претензий к Education.com, возникающих в связи с этим. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и проектным идеям научной ярмарки покрывается Образование.com Политика конфиденциальности и Условия использования сайта, которые включают ограничения об ответственности Education.com.

Настоящим предупреждаем, что не все проектные идеи подходят для всех отдельных лиц или во всех обстоятельствах. Реализация любой идеи научного проекта следует проводить только в соответствующих условиях и с соответствующими родителями. или другой надзор. Чтение и соблюдение мер предосторожности всех материалы, используемые в проекте, является исключительной ответственностью каждого человека.За дополнительную информацию см. в справочнике по научной безопасности вашего штата.

Наука! Вот почему горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная

На прошлой неделе исследователи из Школы электротехники и электронной инженерии Наньянского технологического университета в Сингапуре предложили наиболее правдоподобное объяснение эффекта Мпембы [PDF].

Вы, наверное, уже слышали, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная — это эффект Мпембы.Я помню, когда моя старшая сестра сказала мне это, когда мы были детьми. Я ей тогда не поверил и не верил много лет. Это то, что напоминает бабушкины сказки.

Но давайте проясним одну вещь: на самом деле нет никаких споров о том, что эффект Мпембы существует. Его наблюдали в многочисленных контролируемых экспериментах*. Аристотель впервые отметил его существование, когда более двух тысячелетий назад писал о том, как подледные рыбаки нагревали воду, чтобы она быстрее замерзала.Эффект назван в честь танзанийца Эрасто Мпембы, который, будучи учеником средней школы в 1963 году, заметил, что горячие смеси для мороженого замерзают быстрее, чем холодные смеси для мороженого. Его вопрос приглашенному лектору доктору Денису Г. Осборну: «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равным объемом воды, один при 35 ° C (95 ° F), а другой при 100 ° C (212 ° F), и поместите их в морозильник, тот, который начал работать при 100 ° C (212 ° F), замерзает первым. Почему?» сначала высмеивали, но позже Осборн воспроизвел результаты Мпембы и написал с ним в соавторстве статью, объясняющую наблюдения в 1969 году.

*И нет, ваш приятель, который говорит: «Один раз я наполнил лоток для кубиков льда горячей водой, а другой — холодной, и холодная замерзла быстрее», не считается контролируемым экспериментом.

Это совершенно нелогично и, кажется, нарушает основные законы термодинамики. Для ясности: здесь мы говорим о том, что при определенных условиях общее время, необходимое для замерзания объема теплой воды, будет на меньше, чем общее время, необходимое для замерзания такого же объема холодной воды, на . при одинаковой внешней температуре.Это действительно странно. Я имею в виду, что в какой-то момент процесса теплая вода не достигает того же начального состояния, что и холодная вода? И если да, то почему эта холодная вода, которая недавно была горячей, замерзает быстрее, чем вода, которая изначально была холодной? Это заставляет людей чесать затылки или прямо отрицать его существование на протяжении десятилетий.

С тех пор было выдвинуто множество объяснений, чтобы попытаться объяснить это явление, но ни одно из них не было чем-то большим, чем правдоподобно звучащие теории.Вот несколько из них:

Теория: Конвекционные потоки в теплой воде, вызванные большими перепадами температур, заставят ее охлаждаться быстрее, и эти конвекционные потоки продолжаются даже после того, как температура воды упадет до той же температуры, что и более холодная вода, что позволит ей обогнать более холодную. вода в замерзании.*

*Проблема: вода довольно вязкая, и подобные конвекционные потоки не будут продолжаться в течение времени, необходимого для охлаждения воды.

Теория: Горячая вода испаряется. Чем меньше воды остается, тем меньше воды нужно заморозить.**

**Проблема: даже с учетом испарения было замечено, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Теория: Горячая вода создает конвекцию в воздухе внутри морозильной камеры, что повышает эффективность ее охлаждения.***

***Проблема: Вы можете провести эксперимент с горячими и холодными лотками в одной и той же морозильной камере и по-прежнему наблюдать, как теплый лоток замерзает быстрее, чем холодный.

Теория: Холодная вода замерзает слоем сверху, создавая изоляцию и предотвращая очень быстрое охлаждение остальной части.****

****Проблема: горячая вода также образует слой инея.

Экспериментальные проблемы велики, потому что нужно контролировать так много переменных — помимо начальной температуры, есть также форма морозильной камеры, объем и форма контейнера, изоляционные свойства контейнера, растворенные твердые вещества в воде и т. д. .Вплоть до статьи на прошлой неделе наиболее правдоподобная работа была сделана заинтересованным непрофессионалом Джеймсом Браунриджем, который предположил, что нагрев воды изменяет природу ее примесей, что, в свою очередь, изменяет ее точку замерзания (он заметил, что большая часть воды на самом деле переохлаждается выше 0°С). C и не начинает кристаллизоваться, пока значительно не упадет до этой температуры).

В новой статье утверждается, что на самом деле существует химическое объяснение эффекта, и такое, которое математически соответствует наблюдаемым данным — насколько я знаю, первое объяснение, которое может это сделать.

Молекулы воды состоят из двух молекул водорода, присоединенных к молекуле кислорода преимущественно прочными ковалентными связями. Обычно ковалентные связи размягчаются и удлиняются при нагревании. Но в воде из-за уникальных свойств водородных связей — взаимодействия между атомами водорода в одной молекуле воды и молекулой кислорода в соседней молекуле — происходит обратный эффект. Когда масса воды поглощает энергию, водородные связи растягиваются (заставляя отдельные молекулы воды отдаляться друг от друга), но ковалентные связи внутри каждой молекулы становятся короче и жестче — то же самое происходит, когда вода замерзает.

Итак, на индивидуальном молекулярном уровне нагретая вода больше похожа на замороженную воду, чем исходная более холодная вода. Что еще более важно, скорость, с которой высвобождается энергия в этих сморщенных ковалентных связях, экспоненциально зависит от того, сколько энергии было изначально запасено. По сути, горячая вода обладает энергией, закрученной подобно пружине, которая высвобождается, когда вы начинаете ее охлаждать, что позволяет ей быстрее охлаждаться и замерзать.

Аккуратно, да?

Вы можете прочитать подробности в полной статье здесь, в комплекте с совершенно непонятными диаграммами и диаграммами.

.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *